江西會昌周田鎮(zhèn)地面塌陷災(zāi)害CSAMT法勘查實(shí)例分析

(江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九二地質(zhì)大隊(duì),江西新余338000)

江西會昌周田鎮(zhèn)地面塌陷災(zāi)害CSAMT法勘查實(shí)例分析

張焱孫

介紹了江西會昌縣周田鎮(zhèn)地面塌陷災(zāi)害物探CSAMT法勘查技術(shù)、資料分析、勘查成果及驗(yàn)證情況。對了解塌陷區(qū)蓋層有效厚度、塌落現(xiàn)狀、塌陷區(qū)后續(xù)具體治理方案及決策有十分重要的意義，對在類似地電條件下地質(zhì)災(zāi)害物探勘查方法的選擇、資料解釋等具一定的借鑒意義。

地面塌陷；CSAMT法；有效厚度；冒落帶；江西會昌

0 引 言

2010年12月23日中午，江西省會昌縣周田鎮(zhèn)新圩村新豐小組附近農(nóng)田出現(xiàn)噴水，水頭高出地面達(dá)2～3 m，并夾帶廢石噴出，涌砂，發(fā)展成地面塌陷；隨后，附近民房出現(xiàn)弧形或放射狀裂縫，并伴隨局部地面下沉，最終形成面積約3 000 m2、深4～5 m的地面塌陷坑，形成圓形水塘。

塌陷區(qū)屬丘崗地貌，地形高差20 m左右，礦區(qū)內(nèi)及周邊居民點(diǎn)人口較密集。初步判斷認(rèn)為礦層頂板偏薄、巖層軟弱、強(qiáng)度低，地面塌陷與礦層頂板不利等工程地質(zhì)條件與溶腔變形塌落直接有關(guān)。據(jù)開采情況與地面裂縫綜合情況，初步評估潛在塌陷面積(勘查范圍)約1.7 km2(圖1)(江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九二地質(zhì)大隊(duì)，2011)。

因此，迫切需要及時(shí)查明地下采空區(qū)溶腔規(guī)模、位置及其與塌陷的關(guān)系，為后續(xù)治理方案與地方政府決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況與巖(礦)石電性特征

1.1 地質(zhì)概況

新圩村地處武夷山環(huán)狀構(gòu)造及瑞金—尋烏深大斷裂交會部位之周田斷陷紅層盆地內(nèi)；礦區(qū)地層僅出露白堊系上統(tǒng)周田群紅色碎屑巖層；地層總體走向南北，北部向北西折轉(zhuǎn)，傾向南西；南部向南西折轉(zhuǎn)，傾向北西，傾角20°～30°，向深部傾角逐漸變緩，形成一個(gè)北西向半收斂的向斜構(gòu)造。

周田群是礦區(qū)含鹽地層，可分為3個(gè)組，9個(gè)段。巖相自下而上為紫紅色礫巖、砂巖、粉砂巖，過渡到灰綠色泥巖、鹽巖，又從鹽巖、灰綠色泥巖過渡到粉砂巖、砂巖，最后變?yōu)榈[巖，形成一個(gè)完整的沉積旋回。厚度約2 660余m。

石鹽層的直接頂?shù)装寰鶠槟嗟[巖。含鹽泥礫巖松軟，呈灰色，角礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，具成層性；石鹽層頂板泥礫巖厚度變化很大，礦層?xùn)|北部最厚可達(dá)100多m(ZKl2)，礦層西南部薄，僅1 m多(ZKl0)，自東北向西南逐漸變薄。

圖1 塌陷區(qū)概況及勘查部署平面圖

1.2 巖(礦)石電性特征

參考江西紅色盆地碎屑巖電阻率實(shí)測統(tǒng)計(jì)：紅層(碎屑巖)電阻一般在20～100 Ω·m范圍，高低取決于顆粒的粒徑及其中砂礫的含量，常見值約20～30 Ω·m；鹵水電阻率極低，常見約為n×10-1～nΩ·m，巖鹽電阻率與之相當(dāng)。

目標(biāo)與圍巖導(dǎo)電性有5～10倍的差異，具備應(yīng)用電阻率區(qū)分蓋層與鹽巖或鹵水的前提。

1.3 可行性分析

因注水溶鹽采鹵，鹽溶解后，理論上會形成一個(gè)具一定壓力的鹵水溶腔，形態(tài)如圖2。其上部分巖、土層在周圍張力小于自身重力的情況下就會坍塌下去，一旦此現(xiàn)象發(fā)生，坍塌會導(dǎo)致上部的連鎖反應(yīng)，陸續(xù)坍塌直至地面，最終達(dá)到新的應(yīng)力穩(wěn)定為止。該區(qū)蓋層巖性松軟，遇水不斷剝落，尤其是當(dāng)溶腔壓力水與其他區(qū)域具動力聯(lián)系時(shí)，其塌落更易發(fā)生。

圖2 溶鹽采鹵溶腔示意圖

溶腔顯然不是空腔，并不是所有溶腔都一定會發(fā)生塌陷，也不是抽取多少體積的鹽鹵就會塌落多少體積的土層。其塌落的發(fā)生及塌陷的規(guī)模除蓋層巖性強(qiáng)度之外，主要取決于溶腔水平方向的大小，水平面積越大，其頂載力就越弱，塌陷就越容易發(fā)生。因此，溶腔形態(tài)規(guī)模的劃定可轉(zhuǎn)為其上部蓋層厚度分布的劃定，亦即蓋層底界或溶腔頂界。是否形成一定規(guī)模的溶腔，可依據(jù)已有鉆孔當(dāng)時(shí)的見鹽標(biāo)高對比現(xiàn)時(shí)蓋層有效厚度底界標(biāo)高進(jìn)行分析評價(jià)。由此，根據(jù)電阻率量值的大小并參考已知孔的鹽層深度資料，綜合推斷上覆蓋層有效厚度(亦可認(rèn)為屬未擾動原巖層)趨勢是可行的，因地層電阻率過低，底板則難以識別，但并不影響分辨鹽層(鹵水溶腔)頂板厚度及平面分布特征。

考慮到目標(biāo)層深達(dá)500.0 m以上，又處居民集中區(qū)，電磁干擾相對較大，選擇CSAMT法(可控源音頻大地電磁法)開展工作。

2 方法技術(shù)

(1) 方法：采用CSAMT法測深，赤道偶極排列標(biāo)量測量方式。(2) 工作布置：共布置11條測線(圖1)，線距100.0 m，點(diǎn)距20.0～40.0 m，測線方位278°～98°。(3) 測量定位：測線(測點(diǎn))采用RTK-GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)差分放樣定位，采集各測點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)值。(4) 主要技術(shù)參數(shù)：為盡可能避免“過渡場”影響，保證“遠(yuǎn)區(qū)”數(shù)據(jù)采集，偶極源方向與測線平行，收發(fā)距最小16.5 km，最大17.5 km；觀測區(qū)與場源中點(diǎn)最大偏角為9.9°；測量頻率范圍：l～9 600 Hz。每測點(diǎn)掃頻觀測42個(gè)頻率，采集磁道與電道信號,磁道一般埋設(shè)于排列中部,每個(gè)頻點(diǎn)采集時(shí)間不小于1min。磁、電道比≥1/3。

3 異常分析

3.1 分析思路

推斷界限按未擾動原巖(有效厚度蓋層)、冒落帶、鹽礦層(溶與未溶)這幾個(gè)界面來劃分。認(rèn)為有效蓋層厚度(屬基本未擾動原巖)巖性層位結(jié)構(gòu)相對完整，地(電性)層基本未擾動，其導(dǎo)電性特征應(yīng)與紅層基本一致，依據(jù)紅層標(biāo)志性電阻率值而劃定。冒落帶則可以理解為裂隙發(fā)育、巖石破碎段，顯然此段地(電性)層電阻率值較未經(jīng)擾動原巖要低，從鉆孔對比來看，此帶對應(yīng)斷面視電阻率在2～6 Ω·m區(qū)間；含鹽巖層電阻率現(xiàn)低，一般小于2 Ω·m，并對其下伏地(電性)層形成屏蔽，故此，在斷面上未推斷鹽巖層位底界，鹽巖層位底界可依據(jù)原勘探鉆孔確定。

本著已知到未知的原則，先解釋已知鹽井較多的測線，得出目標(biāo)相關(guān)異常特征，再由此類推斷其他各測線。考慮到110線有多個(gè)已知采鹵井分布：C312孔位于3200號、C302(C303)位于3360號、C101位于3600號、C103位于3700號測點(diǎn)附近，各井成井時(shí)見鹽層標(biāo)高分別為-184.0，-154.9，-90.0 m,故選擇以110線卡尼亞視電阻率異常反演斷面圖為例進(jìn)行分析。

3.2 110線卡尼亞視電阻率斷面異常特征與分析

110線斷面異常等值線(圖3a)主體呈西深、東淺的層狀趨勢，這種趨勢與研究區(qū)含鹽層上覆蓋層厚度分布(鉆孔)情況基本一致。橫向上，大致以C312井為界，西段標(biāo)高-160.0 m以淺，東段檔高30 m以淺地層電阻率多在30 Ω·m左右，表明沿剖面蓋層厚度變化的非均勻性，這種突變性往往預(yù)示著在此部位存在一斷裂F2；縱向上，依據(jù)采鹵井結(jié)果，對比斷面圖異常形態(tài)與量值特征，斷面上部電阻率平均約20 Ω·m,下部區(qū)域?yàn)?～2 Ω·m；過渡區(qū)帶呈波狀起伏。上部地層電阻率主要反映未擾動原巖厚度沿剖面的變化情況，下部低阻區(qū)域則為含鹽(鹵)層的反映，上、下部以較明顯的梯級帶形式過渡，高、低阻過渡區(qū)帶呈波狀起伏，認(rèn)為屬冒落帶范圍，此帶巖石結(jié)構(gòu)松散、裂隙發(fā)育區(qū)(帶)，裂隙充填物及裂隙處飽水(含鹽)狀態(tài)，導(dǎo)電性較上部巖石為好，呈較低電阻率顯示。冒落帶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，如其下無一定頂托力，在外力誘發(fā)下，此帶物質(zhì)可隨時(shí)塌落。

圖3 110、107線卡尼亞視電阻率斷面異常及地質(zhì)解譯斷面圖A層-蓋層未經(jīng)擾動原巖，具一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度層；B層-因裂隙發(fā)育、地下水力造成巖石破碎、松散、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低的蓋層部分；C層-含鹽(溶或未溶)巖層

從圖3可以看到：頂板標(biāo)高線東段均在當(dāng)時(shí)成井時(shí)見鹽標(biāo)高線之上、目前蓋層有效厚度(未擾動原巖)較薄處C303、C302、C101、C103孔附近，形成一向上突出的三角形區(qū)域，平均寬度60.0～100.0 m，有效厚度層底限標(biāo)高一般在-30 m左右，厚度約170 m；西段蓋層厚度一般在350.0 m以上，與當(dāng)時(shí)見鹽標(biāo)高相差不大。

其他各斷面異常大同小異(圖3b)，可同理分析類推。各斷面均呈較明顯的二層地電斷面結(jié)構(gòu)，上部ρk≈30 Ω·m，為結(jié)構(gòu)完整、未經(jīng)擾動的紅層巖性導(dǎo)電性反映，局部達(dá)100 Ω·m的相對高異常呈不規(guī)則形態(tài)分布于淺表部，主要為淺表存在的局部不均勻地質(zhì)體反映；下部電阻率一般小于3 Ω·m，屬含鹽層或鹽鹵反映，已采鹽礦層多為鹵水(或水溶物)充填；3～4 Ω·m范圍組成的過渡帶(區(qū))認(rèn)為屬巖石結(jié)構(gòu)松散、基本無結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的裂隙發(fā)育帶(區(qū))，過渡區(qū)帶的起伏狀態(tài)主要反映了冒落帶(裂隙發(fā)育、巖石破碎、結(jié)構(gòu)松散)沿剖面的分布現(xiàn)狀。

3.3 異常平面特征與分析

為了解塌陷在平面的影響范圍，對各測線解釋結(jié)果繪制平面圖，圖4為有效厚度蓋層底板等深度圖，較好地反映了地災(zāi)區(qū)勘查工作時(shí)蓋層有效厚度在平面上的宏觀變化趨勢。

圖4 有效蓋層底板等高線平面圖

(1) 蓋層厚度總體呈東薄西厚、北薄南厚，與研究區(qū)地層、礦層傾向基本一致。

(2) 102、103、104線東延部分蓋層較厚，一般都在標(biāo)高-250.0 m以深，其結(jié)果與此區(qū)域ZK2及東部ZK31孔鉆探結(jié)果(未見鹽)基本一致。

(3) C310—C306一線東北，原鉆孔見礦標(biāo)高一般在-80 m左右，蓋層厚度在280 m左右，現(xiàn)時(shí)蓋層有效厚度下限標(biāo)高一般在40 m左右，反映蓋層有效厚度在160 m左右；C310—C306一線東南C307、C301、C303、C305區(qū)域及現(xiàn)陷坑至ZK4孔一線附近，原鉆孔見礦深度一般在400.0～500.0 m，斷面反映現(xiàn)蓋層有效厚度一般在150 m左右。蓋層有效厚度相對偏小的區(qū)域(圖上以紅色調(diào)表示)在平面上呈彎月狀分布，平均寬度在150 m左右，范圍約1 km2。ZK26—C311—ZK1孔一線以東，蓋層有效厚度相對較大，一般在350.0 m以上(圖上以藍(lán)色基調(diào)表示)。

(4) ZK4孔與ZK2孔之間標(biāo)高等值線以較密集梯級帶形式出現(xiàn)，反映蓋層厚度有變突，其中ZK2孔未見鹽，推斷在此部位存在北東向斷裂(F1)。

(5) 自3240/110—3160/109—3240/108—3360/107—3360/106一線存在蓋層有效厚度急劇變化帶，此帶北東蓋層厚度明顯比南西部薄，存在突變跡象；2011年評價(jià)驗(yàn)證孔ZK4、ZK5孔均出現(xiàn)裂隙發(fā)育；在106—110線各斷面圖上，此帶北東側(cè)低阻異常明顯上突，蓋層有效厚度變小，認(rèn)為沿此線具存在北西向斷裂(F2)跡象。

4 驗(yàn)證情況對比分析

勘查區(qū)共施工了6個(gè)驗(yàn)證孔，一是為驗(yàn)證物探成果，二是為地災(zāi)評估提供依據(jù)。驗(yàn)證情況與物探推斷結(jié)果基本吻合，以下對其中110線、107線ZK2、ZK4和ZK5這3個(gè)孔鉆遇情況進(jìn)行分析對比。

(1) ZK2孔。位于3720/107號樁號附近，該處物探推斷蓋層有效厚度為220 m左右。鉆孔揭示：190.0 m以淺僅在22.9～75.0 m區(qū)間存在裂隙發(fā)育段，其余均屬裂隙不發(fā)育段，巖石相對完整，具一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，屬未擾動原巖類；190.0～267.5 m區(qū)間巖芯呈碎塊，裂隙發(fā)育，在256.0 m以深見及局部空洞，此段應(yīng)屬冒落帶或軟弱層，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低；190.0 m以淺地層巖性相對完整，具一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；256.0 m以深巖性相對破碎，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，與物探推斷結(jié)果基本吻合。

(2) ZK4孔。位于3400/110號樁號附近，物探推斷此處存在“傘”型溶腔，蓋層有效厚度110 m左右。從鉆孔鉆遇情況分析：239.0 m以淺為灰綠、灰—深灰色泥巖，巖芯呈碎塊，局部裂隙發(fā)育?？杉?xì)分為：在102.0 m以淺存在37.7～41.0，46.5～51.0，64.6～74.0，84.0～102.0 m共4段總厚35.3 m的紫紅色泥質(zhì)粉砂巖夾層；64.5～79.0，156.0～165.0，210.0～224.0 m均存在巖石破碎、巖芯呈碎屑狀，結(jié)構(gòu)松散的描述，其中192.0～210.0 m局部有大小不一的深蝕現(xiàn)象，至424.0 m見含鹽層，其中僅部分段存在巖石堅(jiān)硬、裂隙不發(fā)育。從上述鉆遇情況描述可知，102.0 m以淺因存在數(shù)層具一定厚度的紫紅色粉砂巖層而顯一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，102.0 m以深則以巖石破碎、巖芯呈碎屑、結(jié)構(gòu)松散特征為主，反映在此深度以下地層巖性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，與物探推斷的有效厚度是一致的。

(3) ZK5孔。位于3400/107號樁號附近，物探推斷此處有效厚度為100.0 m左右。鉆孔揭示：8.0～265.3 m為灰-深灰色泥巖，巖芯呈碎塊狀，裂隙較發(fā)育。其中27.8～32.0，41.0～43.0，55.5～56.5，62.9～64.0，77.0～90.5,221.5～232.0 m為紫紅色粉砂巖夾層；42.0～43.0，58.0～69.0，124.3～143.0，146.7～148.3，153.4～159.6，185.0～205.0，259.0～265.3 m描述為巖石破碎、結(jié)構(gòu)松散。在100.0 m以淺巖石破碎、結(jié)構(gòu)松散之夾層只存在2段總厚度12.0 m的夾層，其余發(fā)育于100.0 m以深。鉆遇現(xiàn)象反映在100.0 m以淺，以結(jié)構(gòu)松散、巖石破碎為主，與物探推斷蓋層有效厚度在100.0 m左右相一致，反映此區(qū)域蓋層100.0 m以內(nèi)具一定的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，100.0 m以淺地層巖性結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低。

5 結(jié) 論

(1) 從物探推斷蓋層厚度與鉆孔揭示的地層巖性對比情況分析，說明物探成果較好地反映了勘查區(qū)巖石完整，具一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的巖性層及巖石破碎，松散、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低的巖性層的分布狀況與宏觀變化趨勢。說明應(yīng)用CSAMT法對了解塌陷的蓋層及發(fā)育現(xiàn)狀具較好的效果。

(2) 在類似地電條件下，地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用CSAMT(或AMT)法調(diào)查，可以較準(zhǔn)確地確定塌陷位置及現(xiàn)狀、有效蓋層厚度，以取得較好的勘查效果，對地面塌陷災(zāi)害的治理方案制定及地方政府決策可及時(shí)提供科學(xué)依據(jù)。

(3) 認(rèn)真分析目標(biāo)任務(wù)與物探異常之間的關(guān)系，論證所選方法完成目標(biāo)任務(wù)的可行性，是做好物探工作的首要任務(wù)?？碧侥繕?biāo)與背景存在的可能物性差異，并對其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定性分析，把握好勘探目標(biāo)任務(wù)與物探異常之間的轉(zhuǎn)換?？紤]勘探目標(biāo)與背景物性參數(shù)特征、干擾程度、目標(biāo)深度等因素選擇有效的物探方法技術(shù)是關(guān)鍵。結(jié)合已知資料對物探資料解釋至關(guān)重要，應(yīng)以定性解釋為主，定量解釋為輔。

底青云,王若.2008.可控源音頻大地電磁數(shù)據(jù)正反演及方法應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社.

湯井田,何繼善.2005.可控源音頻大地電磁法及其應(yīng)用[M].長沙：中南大學(xué)出版社.

Analysis of CSAMT investigation on surface collapse in Zhoutian Town in Jiangxi

ZHANGYan-sun

(No. 902 Geological Party of Jiangxi Bureau of Geology and Minerals Exploration and Development, Xinyu 338000, Jiangxi, China)

The author introduced CSAMT exploration method, data analysis, exploration results and testifications about the surface collapse in Zhoutian Town of Huichang County in Jiangxi Province, the study was helpful to the understanding of the effective thickness of the cover layer in the collapsed area, collapsed situation, the further treatment plan and policy decision for the collapsed area as well as for the method selection and data explanations for similar geological disasters.

Surface collapse; CSAMT method; Effective thickness; Caving zone; Huichang, Jiangxi

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.682

2014-06-16；編輯：陸李萍

江西省國土資源廳項(xiàng)目“江西省會昌縣周田鎮(zhèn)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”

張焱孫(1963— )，男，高級工程師，主要從事物探勘查與技術(shù)質(zhì)量管理工作,E-mail: 902zhy@163.com

P631;TP392

：A

：1674-3636(2014)04-0682-05